WO2020130319A1 - 레이저 공간 변조 초고분해능 광학 현미경 - Google Patents

레이저 공간 변조 초고분해능 광학 현미경 Download PDF

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WO2020130319A1
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objective lens
excitation
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이주인
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Korea Research Institute of Standards and Science
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems

Definitions

  • the present invention relates to a laser microscope, and more particularly to an optical microscope using a spatial laser modulator.
  • the microscope's ability is determined by its magnification and the minimum discernible spacing, or resolution. This size is determined by diffraction of light, and the resolution (d) can be obtained by the following equation.
  • n is the refractive index (refractive index)
  • ⁇ is the wavelength of the light used.
  • ⁇ is the maximum angle of the light axis incident on the objective lens and the optical axis of the lens.
  • n sin ⁇ is a numerical aperture.
  • This second laser beam is a donut-shaped hole that is scanned into the object to be observed.
  • the fluorescence intensity does not decrease in the small hole inside where only the first laser is scanned.
  • the second laser can also cause the fluorescence from the surrounding area to be scanned to disappear.
  • Stimulated Emission Depletion (STED) microscopes use two expensive lasers and use a high-intensity donut laser beam to disappear the fluorescence around the object, causing photo discoloration or damage to the sample, resulting in signal distortion. .
  • the present invention uses a low-intensity laser beam and uses a laser-modulated interferometer, unlike a Stimulated Emission Depletion (STED) microscope, so that the shape of the laser beam is not Gaussian tube shape, pole shape, tube -It is made into a tube-pole shape to improve the resolution, and it is possible to obtain ultra-high resolution above the Abbe's diffraction limit by injecting a beam of the same wavelength into the sample in different forms with a time difference.
  • STED Stimulated Emission Depletion
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide a high-resolution optical device having an Abbe diffraction limit or higher.
  • An optical device a laser light source; A beam expander for increasing the beam size of the output light of the laser light source; A laser modulated interferometer that adjusts the spatial distribution of the beam output from the beam expander; And an objective lens that irradiates the sample with the spatially modulated beam in the laser modulated interferometer.
  • the first beam splitter for dividing the spatially modulated beam output from the laser modulated interferometer into a first path and a second path;
  • a first optical switch disposed between the first beam splitter and the objective lens to switch the first excitation beam of the first path;
  • a second optical switch disposed between the first beam splitter and the objective lens to switch the second excitation beam in the second path;
  • a second beam splitter disposed between the objective lens and the first optical switch and providing the first excitation beam or the second excitation beam to the objective lens;
  • a vortex phase plate disposed between the second optical switch and the second beam splitter to provide a donut-shaped intensity profile.
  • a third beam splitter is disposed between the first optical switch and the first beam splitter, and splits the first measurement beam provided by the sample in response to the first excitation beam;
  • a first focusing lens focusing the first measured beam branched by the third beam splitter;
  • a first light sensing unit disposed at a rear end of the first pinhole to measure the first measurement beam.
  • a fourth beam splitter disposed between the second optical switch and the first optical splitter and splitting the second measurement beam provided by the sample in response to the second excitation beam;
  • a second focusing lens focusing the second measured beam branched by the fourth beam splitter;
  • a second light sensing unit disposed at the rear end of the second pinhole to measure the second measurement beam.
  • the spatially modulated beam by the laser modulated interferometer may be a tube shape, a pole shape, or a tube-pole shape.
  • the laser modulated interferometer divides the beam size of the increased output light into a reference path and a modulation path, and combines the beam reflected from the mood path and the beam reflected from the modulation path to output.
  • a linear polarizer disposed between the first beam splitter and the laser modulated interferometer; A half-wave plate disposed between the linear polarizer and the first beam splitter; A quarter wave plate disposed between the second beam splitter and the objective lens; And a beam scanner disposed between the second beam splitter and the objective lens. It may further include at least one.
  • the first optical fiber disposed between the first pinhole and the first optical sensor; A first lock-in amplifier that processes the signal of the first optical sensor; A second optical fiber disposed between the second pinhole and the second optical sensor; And a second lock-in amplifier for processing the signal roll of the second optical sensor.
  • a signal processing unit calculating a difference between the first signal of the first lock-in amplifier and the second signal of the second lock-in amplifier may be further included.
  • the output light of the laser light source is a continuous wave or pulse
  • the first optical switch and the second optical switch are turned on at different times
  • the switch can be an electro-optic modulator.
  • a first band pass filter disposed between the third beam splitter and the first focusing lens to selectively transmit only the first measurement beam; And a second band pass filter disposed between the fourth beam splitter and the second focusing lens to selectively transmit only the second measurement beam.
  • the first dichroic mirror is disposed between the first optical switch and the first beam splitter, and splits the first measurement beam provided by the sample in response to the first excitation beam. ;
  • a first focusing lens focusing the first measurement beam reflected from the first dichroic mirror;
  • a first light sensing unit disposed at a rear end of the first pinhole to measure the first measurement beam.
  • a second dichroic mirror disposed between the second optical switch and the first optical divider and reflecting the second measurement beam provided by the sample in response to the second excitation beam;
  • a second focusing lens focusing the second measurement beam reflected from the second dichroic mirror;
  • a second light sensing unit disposed at the rear end of the second pinhole to measure the second measurement beam.
  • a first band pass filter disposed between the first dichroic mirror and the first focusing lens to selectively transmit only the first measurement beam; And a second band pass filter disposed between the second dichroic mirror and the second focusing lens to selectively transmit only the fourth measurement beam.
  • a method of operating an optical device provides a first excitation beam in a Gaussian form through an objective lens to a sample at a first time and a first measurement beam in which the sample reacts to the first excitation beam Measuring a first intensity of the; Providing a donut-shaped second excitation beam through a vortex phase plate and the objective lens to the sample at a second time and measuring a second intensity of the second measurement beam in which the sample reacts to the second excitation beam;
  • the optical device according to an embodiment of the present invention may provide a high-resolution optical device having a diffraction limit or higher.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating optical paths of a first excitation beam and a first measurement beam in the optical device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating optical paths of a second excitation beam and a second measurement beam in the optical device of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a laser modulated interferometer in the optical device of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a view showing an image formed by the objective lens according to the spatial distributions of the first excitation beam incident on the objective lens according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a fluorescence microscope according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a fluorescence microscope according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating optical paths of a first excitation beam and a first measurement beam in the optical device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating optical paths of a second excitation beam and a second measurement beam in the optical device of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a laser modulated interferometer in the optical device of FIG. 1.
  • the optical device 100 includes a laser light source 110; A beam expander 120 for increasing the beam size of the output light of the laser light source 110; A laser modulated interferometer 130 for spatial distribution of the beam output from the beam expander 120; And an objective lens 150 that irradiates the sample 162 with a spatially modulated beam from the laser modulated interferometer 130.
  • the optical device may be an optical microscope.
  • the laser light source 110 may be an argon ion laser. Specifically, the wavelength of the laser light source 110 may be 488 nm or 514.5 nm.
  • the laser light source 110 may perform continuous wave operation or pulse operation with a frequency of several kHz or more.
  • the laser may be synchronized with the first optical switch and the second optical switch 145b. Specifically, the laser light source 110 may alternately output the first pulse and the second pulse.
  • the first pulse of the laser light source 110 may proceed to the first path through the first optical switch 145a, and the second pulse may proceed to the second path through the second optical switch 145b.
  • the beam expander 120 may receive the output of the laser light source 110 to expand the size of the beam.
  • the magnification of the beam expander 120 may be 10 or more.
  • the magnification of the beam expander may be 20 times.
  • the laser modulated interferometer 130 may have a Michelson interferometer structure.
  • the spatially modulated beam by the laser modulated interferometer 130 may have a spatial intensity distribution in a tube shape, a pole shape, or a tube-pole shape.
  • the output profile of a conventional laser light source is Gaussian.
  • the spatial intensity distribution of the laser beam incident on the objective lens 150 may be a tube shape, a pole shape, or a tube-pole shape.
  • the pole-shaped spatial intensity distribution may be formed by leaving only the central portion in the Gaussian-type input intensity distribution and removing the edge portion.
  • the tube-shaped spatial intensity distribution can be formed by removing light at the edge and light at the center. Further, the spatial strength distribution of the tube-pole shape may be formed by a combination of the pole shape and the tube shape.
  • the laser modulated interferometer 130 splits a laser beam having an increased beam size into a reference path and a modulation path, and combines the beam reflected from the mood path and the beam reflected from the modulation path to output a beam splitter 131. ; A first mirror 132 disposed in the reference path; A spatial liquid crystal modulator 133 disposed in the modulation path; And a second mirror 134 disposed at the rear end of the spatial liquid crystal modulator 133.
  • the reference path and the modulation path may have the same optical path.
  • the spatial liquid crystal modulator 133 may include a plurality of liquid crystal cells, and may have a pair of electrodes facing each other with the liquid crystal cell interposed therebetween.
  • the liquid crystal cell may provide a phase delay. Therefore, the output light of the laser modulated interferometer 130 can adjust the spatial intensity distribution using an interference phenomenon.
  • the output light of the laser modulated interferometer 130 may include an aperture 134. The size of the aperture 134 may be equal to or smaller than that of the objective lens 150.
  • the objective lens 150 may be an objective lens for a microscope.
  • the first beam splitter 143 may split the spatially modulated beam output from the laser modulated interferometer 130 into a first path and a second path.
  • the split ratio of the first beam splitter 143 may be 1:1.
  • the first beam splitter 143 provides the first excitation beam spatially modulated through the first path to the objective lens 150.
  • an image formed in a focal plane through the objective lens 150 may have a Gaussian function or a Bessel function.
  • the first beam splitter 143 provides a second excitation beam spatially modulated through the second path to the objective lens 150.
  • an image formed in a focal plane through the objective lens 150 may have a donut shape.
  • the first optical switch 145a is disposed between the first beam splitter 143 and the objective lens 150 to switch the first excitation beam of the first path.
  • the first optical switch 145a may pass a first pulse and block continuous second pulses.
  • the first optical switch 145a may be an electro-optic modulator.
  • the first optical switch 145a may include a Pockels cell.
  • the second optical switch 145b is disposed between the first beam splitter 143 and the objective lens 150 to switch the second excitation beam of the second path.
  • the second optical switch 145b may block the first pulse and pass the second continuous pulse.
  • the first optical switch 145a may be an electro-optic modulator.
  • the first optical switch 145a may include a Pockels cell.
  • the second beam splitter 147 is disposed between the objective lens 150 and the first optical switch 145a and provides the first excitation beam and the second excitation beam to the objective lens 150. .
  • the second beam splitter 147 may transmit the first excitation beam incident at the first time T1 and provide it to the objective lens 150.
  • the second beam splitter 147 may reflect the second excitation beam incident at the second time T2 and provide it to the objective lens 150.
  • a vortex phase plate 172 may be disposed between the second optical switch 145b and the second beam splitter 147 to provide a donut-shaped intensity profile.
  • the vortex phase plate 172 may sequentially change the phase in the azimuth direction to form a donut-shaped intensity image in a focal plane through the objective lens 150.
  • the third beam splitter 144 is disposed between the first optical switch 145a and the first beam splitter 143, and a first measurement beam provided by the sample 162 in response to the first excitation beam. Can be divided.
  • the first focusing lens 178 may focus the first measurement beam branched by the third beam splitter 144.
  • the first pinhole 181a may transmit the first measurement beam and be disposed at a rear end of the first focusing lens 178.
  • the first light sensing unit 183a is disposed at a rear end of the first pinhole 181a to measure the first measurement beam.
  • the fourth beam splitter 173 is disposed between the second optical switch 145b and the first beam splitter 143 and responds to the second excitation beam to measure a second measurement beam provided by the sample 162. Can be divided.
  • the second focusing lens 176 may focus the second measurement beam branched by the fourth beam splitter 173.
  • the second pinhole 181b may transmit the second measurement beam and be disposed at a rear end of the second focusing lens 176.
  • the second light detector 183b is disposed at the rear end of the second pinhole 181b to measure the second measurement beam.
  • the linear polarizer 141 may be disposed between the first beam splitter 143 and the laser modulated interferometer 130.
  • the half-wave plate 142 may be disposed between the linear polarizer 141 and the first beam splitter 143.
  • the quarter wave plate 148 may be disposed between the second beam splitter 147 and the objective lens 150.
  • the beam scanner 149 may be disposed between the second beam splitter 147 and the objective lens 150.
  • the spatially modulated beam from the laser modulated interferer 130 passes through the linear polarizer 141 and is linearly polarized. Subsequently, the linearly plated beam may transmit the half-wave plate 142 to change the polarization direction by 90 degrees.
  • the beam transmitted through the half-wave plate generates a first excitation beam traveling in the first path by the first beam splitter 143.
  • the first excitation beam may pass through the third beam splitter 144 to reach the first optical switch 145a.
  • the first optical switch 145a is opened, the first excitation beam is reflected from the first auxiliary mirror 146, and transmitted through the second beam splitter 147, and the 1 /4 It is possible to enter the wave plate 148.
  • the quarter wave plate 148 may change incident linear polarization to circular polarization.
  • the light transmitted through the quarter wave plate 148 may have a Gaussian function intensity distribution or a Bessel function intensity distribution in the sample plane through the beam scanner 149 and the objective lens 150.
  • the beam scanner 149 may be a galvanometer.
  • the beam transmitted through the half-wave plate 142 generates a second excitation beam traveling in the second path by the first beam splitter 143.
  • the second excitation beam may be reflected by the second auxiliary mirror 174 and pass through the fourth beam splitter 173 to reach the second optical switch 145b.
  • the second optical switch 145b is opened, and the second excitation beam is phase modulated by the vortex phase plate 172 and then reflected by the second beam splitter 147.
  • the second excitation beam reflected from the second beam splitter may change linear polarization to circular polarization through the quarter wave plate 148.
  • the light transmitted through the quarter wave plate 148 may have a donut-shaped intensity distribution in a sample plane through the beam scanner 149 and the objective lens 150.
  • the quarter wave plate 148 and the vortex phase plate 172 may provide a donut-shaped intensity distribution through the objective lens 150.
  • the sample 162 may be disposed on the focal plane of the objective lens 150.
  • the sample 162 forms reflected light in response to an incident first excitation beam, but may generate light of different wavelengths by fluorescence or nonlinear phenomenon.
  • the first measurement beam generated by the sample 162 by the first excitation beam includes the objective lens 150, the quarter phase plate 148, the second beam splitter 147, and the first auxiliary mirror ( 146) may be reflected from the third beam splitter 144 via the first optical switch 145a and transmitted to the first focusing lens 178.
  • the third auxiliary mirror 177 is disposed between the third beam splitter 144 and the first focusing lens 178 to change a progress path.
  • the first measurement beam focused through the first focusing lens 178 may remove stray light through the first pinhole 181a.
  • the first optical fiber 182a disposed between the first pinhole 181a and the first optical sensor 183a may be incident.
  • the first optical fiber 182a may be a single mode optical fiber.
  • the first photo sensor 183a may be an avalanche photodiode.
  • the output electrical signal of the first light sensor 183a may be transmitted to the first lock-in amplifier 185.
  • the first lock-in amplifier 185 may be synchronized with the first pulse of the laser light source.
  • the second measurement beam generated by the sample 162 by the second excitation beam includes the objective lens 150, the quarter phase plate 148, the second beam splitter 147, and the vortex phase plate ( 172) may be reflected from the fourth beam splitter 173 via the second optical switch 145b and transmitted to the second focusing lens 176.
  • the fourth auxiliary mirror 175 is disposed between the fourth beam splitter 173 and the second focusing lens 176 to change a progress path.
  • the second measurement beam focused through the second focusing lens 176 may remove stray light through the second pinhole 181b.
  • the first measurement beam transmitted through the fraud pinhole may be incident on the second optical fiber 182b disposed between the second pinhole 181b and the second optical sensor 183b.
  • the second optical fiber 182b may be a single mode optical fiber.
  • the second photo sensor 183b may be an avalanche photodiode.
  • the output electrical signal of the second light sensor 183b may be transmitted to the second lock-in amplifier 184.
  • the second lock-in amplifier 184 may be synchronized with the second pulse of the laser light source 110.
  • the laser light source 110 may sequentially generate a first pulse, a second pulse, a first pulse, and a second pulse.
  • the first pulse may form a first excitation beam and a first measurement beam through the first optical switch 145a.
  • the first lock-in amplifier 185 is synchronized with the first pulse.
  • the second pulse may form a second excitation beam and a second measurement beam through the second optical switch 145b.
  • the second lock-in amplifier 184 is synchronized with the second pulse.
  • the signal processor 168 may calculate a high resolution signal that is a difference between the output signal of the first lock-in amplifier 185 and the output signal of the second lock-in amplifier 184.
  • the high resolution signal may provide a high resolution image signal. The above operation can be repeated while changing the measurement position of the sample.
  • the beam scanner 149 may be used to change the measurement position of the sample.
  • the beam scanner 149 may be a galvanometer.
  • the sample may be mounted on the moving stage 164.
  • the moving stage 164 may set the initial position of the sample or change the measurement position of the sample.
  • the moving stage 164 may be a PZT piezoelectric stage.
  • the PZT piezoelectric stage may be controlled by a high pressure by the stage control unit 166.
  • the signal processor 168 may process the output signals of the first lock-in amplifier 185 and the second lock-in amplifier 184, control the beam scanner 149, and control the moving stage 164. . Also, the signal processing unit 168 may control the pulse frequency of the laser light source 110 and control the first optical switch 145a and the second optical switch 145b.
  • FIG. 5 is a view showing an image formed by the objective lens according to the spatial distributions of the first excitation beam incident on the objective lens according to another embodiment of the present invention.
  • the output image of the objective lens 150 is in a Gaussian shape, and the beam size is 0.61 ⁇ .
  • ⁇ is the wavelength of the laser.
  • the output image of the objective lens 150 is in the form of a Bessel function, and the beam size is 0.52 ⁇ .
  • the output image of the objective lens is in the form of a vessel function, and the beam size is 0.22 ⁇ .
  • the output image of the objective lens is in the form of a Bessel function, and the beam size is 0.27 ⁇ .
  • the output image of the objective lens is a donut shape.
  • the output image of the objective lens is a donut shape.
  • the output image of the objective lens is a donut shape and has a side band.
  • the output image of the objective lens is a donut shape and has a side band.
  • the first output image of the objective lens 150 is a Gaussian shape, and the beam size is 0.52. ⁇ .
  • the second output image of the objective lens is a donut shape.
  • the difference between the first output image and the second output image is displayed on the rightmost side and has a resolution of about 0. 26 ⁇ higher than that of the first output image (0.52 ⁇ ).
  • a high-resolution image can be obtained.
  • it may be corrected using the proportionality coefficient g.
  • the proportionality coefficient may occur in a path difference between the first measurement beam and the second measurement beam.
  • the sizes of the first pinhole 181a and the second pinhole 181b may be set so that the difference image corresponds to a point of zero.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a fluorescence microscope according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device may operate as a fluorescent microscope.
  • the optical device 100a includes: a laser light source 110; A beam expander 120 for increasing the beam size of the output light of the laser light source 110; A laser modulated interferometer 130 for spatial distribution of the beam output from the beam expander 120; And an objective lens 150 that irradiates the sample 162 with a spatially modulated beam from the laser modulated interferometer 130.
  • the optical device may be an optical microscope.
  • the laser light source 110 may be an argon ion laser. Specifically, the wavelength of the laser light source 110 may be 488 nm or 514.5 nm.
  • the laser light source 110 may be pulsed at a frequency of several kHz or more.
  • the pulse laser may be synchronized with the first optical switch and the second optical switch 145b. Specifically, the laser light source 110 may alternately output the first pulse and the second pulse.
  • the first pulse of the laser light source 110 may proceed to the first path through the first optical switch 145a, and the second pulse may proceed to the second path through the second optical switch 145b.
  • the sample may provide a first measurement beam as a fluorescent signal in response to the first excitation beam.
  • the wavelength of the first measurement beam may be different from the wavelength of the first excitation beam.
  • the first band pass filter 177a may be disposed on the front end of the first focusing lens 178.
  • the first band pass filter 177a may transmit only a fluorescent signal component.
  • the sample may provide a second measurement beam as a fluorescent signal in response to the second excitation beam.
  • the wavelength of the second measurement beam may be different from the wavelength of the second excitation beam.
  • the second band pass filter 175b may be disposed on the front end of the second focusing lens 176.
  • the second band pass filter 175a may transmit only fluorescent signal components.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a fluorescence microscope according to another embodiment of the present invention.
  • the optical device may operate as a fluorescent microscope.
  • the optical device 100b includes: a laser light source 110; A beam expander 120 for increasing the beam size of the output light of the laser light source 110; A laser modulated interferometer 130 for spatial distribution of the beam output from the beam expander 120; And an objective lens 150 that irradiates the sample 162 with a spatially modulated beam from the laser modulated interferometer 130.
  • the optical device may be an optical microscope.
  • the laser light source 110 may be an argon ion laser. Specifically, the wavelength of the laser light source 110 may be 488 nm or 514.5 nm.
  • the laser light source 110 may be pulsed with a continuous wave or a frequency of several kHz or more.
  • the laser may be synchronized with the first optical switch and the second optical switch 145b. Specifically, the laser light source 110 may alternately output the first pulse and the second pulse.
  • the first pulse of the laser light source 110 may proceed to the first path through the first optical switch 145a, and the second pulse may proceed to the second path through the second optical switch 145b.
  • the first dichroic mirror 144a is disposed between the first optical switch 145a and the first beam splitter 143, and a first measurement provided by the sample 162 in response to the first excitation beam.
  • the beam can be reflected.
  • the first focusing lens 178 may focus the first measurement beam reflected by the first dichroic mirror.
  • the first pinhole 181a may transmit the first measurement beam and be disposed at a rear end of the first focusing lens 178.
  • the first photodetector 183a is disposed at the rear end of the first pinhole 181a to measure the first measurement beam.
  • the second dichroic mirror 173a is disposed between the second optical switch 145b and the first beam splitter 143 and is a second measurement beam provided by the sample 162 in response to the second excitation beam. Can reflect.
  • the second focusing lens 176 may focus the second measurement beam branched by the second dichroic mirror 173a.
  • the second pinhole 181b may transmit the second measurement beam and be disposed at a rear end of the second focusing lens 176.
  • the second light detector 183b is disposed at the rear end of the second pinhole 181b to measure the second measurement beam.
  • the sample may provide a first measurement beam as a fluorescent signal in response to the first excitation beam.
  • the wavelength of the first measurement beam may be different from the wavelength of the first excitation beam.
  • the first band pass filter 177a may be disposed on the front end of the first focusing lens 178.
  • the first band pass filter 177a may transmit only a fluorescent signal component.
  • the sample may provide a second measurement beam as a fluorescent signal in response to the second excitation beam.
  • the wavelength of the second measurement beam may be different from the wavelength of the second excitation beam.
  • the second band pass filter 175b may be disposed on the front end of the second focusing lens 176.
  • the second band pass filter 175a may transmit only fluorescent signal components.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기; 상기 빔 확장기에서 출력된 빔의 공간 분포를 조절하는 레이저 변조 간섭계; 및 상기 레이저 변조 간섭계에서 공간 변조된 빔을 시료에 조사하는 대물 렌즈를 포함한다.

Description

레이저 공간 변조 초고분해능 광학 현미경
본 발명은 레이저 현미경에 관한 것으로, 더 구체적으로 공간 레이저 변조기를 사용한 광학 현미경에 관한 것이다.
현미경의 능력은 그 배율과 식별할 수 있는 최소의 간격, 즉 분해능으로 결정된다. 이 크기는 빛의 회절에 의해 결정되며, 분해능(d)은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
d= 0.61 λ/(n sin θ)
여기서, n은 굴절률(refractive index)이고, λ는 사용하는 광선의 파장이다. θ는 대물렌즈에 입사하는 광선과 렌즈의 광축의 최대각이다. 또한 여기서 n sin θ는 개구수(numerical aperture)이다.
최근 회절 한계를 극복하는 초고분해능 현미경이 등장하였다. 구체적으로, 스테드(Stimulated Emission Depletion; STED) 현미경에서는 두 개의 레이저 광선을 관찰하고자 하는 작은 대상에 집중시켜 동시에 조사한다. 첫 번째 레이저는 조사하는 곳에 있는 관찰 대상 분자들을 에너지가 높은 상태로 만든다. 이 높은 에너지 상태의 분자들을 가만히 두면 사방으로 형광을 내며 다시 에너지 바닥 상태로 돌아온다. 그런데 이 높은 에너지 상태 분자들을 가만두지 않고 그 형광과 같은 파장의 레이저를 또 주사하게 되면 분자들이 사방으로 형광을 내는 것이 아니라 주사되는 레이저와 같은 방향으로 빛을 내고 사방으로 나오는 형광의 세기는 줄어든다.
이 두 번째 주사되는 레이저 광선의 모양은 도우넛처럼 구멍이 난 모양으로 만들어 관찰대상에 주사한다. 첫 번째 레이저만이 주사되는 안쪽의 작은 구멍에서는 형광세기가 줄지 않는다. 하지만 두 번째 레이저도 함께 주사되는 관찰대상 주변 부분에서 나오는 형광은 사라지게 만들 수 있다.
스테드(Stimulated Emission Depletion; STED) 현미경은 고가의 두 가지 펄스레이저가 쓰이고 관찰대상 주변 형광을 사라지게하기 위하여 고 강도의 도우넛 레이저 빔을 사용함에 따라 시료의 광 변색이나 손상을 주어 신호의 왜곡이 나타난다.
본 발명은 스테드(Stimulated Emission Depletion; STED) 현미경과 달리 저 강도의 레이저 빔을 사용하고 레이저 변조 간섭계를 활용하여 레이저 빔의 형상을 가우시안이 아닌 튜브(tube) 형상, 폴(pole) 형상, 튜브-폴(tube-pole) 형상으로 만들어 분해능을 향상시키고 동일한 파장의 빔을 시간 차이를 두고 서로 다른 형태로 시료에 입사시키어 아베의 회절한계 이상의 초고분해능을 얻을 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 아베 회절 한계 이상의 고분해능 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기; 상기 빔 확장기에서 출력된 빔의 공간 분포를 조절하는 레이저 변조 간섭계; 및 상기 레이저 변조 간섭계에서 공간 변조된 빔을 시료에 조사하는 대물 렌즈를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 변조 간섭계에서 출력된 공간 변조된 빔을 제1 경로와 제2 경로로 분할하는 제1 빔 분할기; 상기 제1 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 경로의 제1 여기 빔을 스위칭하는 제1 광 스위치; 상기 제1 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되어 상기 제2 경로의 제2 여기 빔을 스위칭하는 제2 광 스위치; 상기 대물 렌즈와 상기 제1 광 스위치 사이에 배치되고 상기 제1 여기 빔 또는 상기 제2 여기 빔을 상기 대물 렌즈에 제공하는 제2 빔 분할기; 및 상기 제2 광 스위치와 상기 제2 빔 분할기 사이에 배치되어 도넛 형태의 강도 프로파일을 제공하는 소용돌이 위상판(vortex phase plate);을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광 스위치와 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제1 측정빔을 분할하는 제3 빔 분할기; 상기 제3 빔 분할기에 의한 분기된 상기 제1 측정빔을 집속하는 제1 집속 렌즈; 상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제1 핀홀; 및 상기 제1 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정하는 제1 광 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광 스위치와 상기 제1 광 분할기 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제2 측정빔을 분할하는 제4 빔 분할기; 상기 제4 빔 분할기에 의한 분기된 상기 제2 측정빔을 집속하는 제2 집속 렌즈; 상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제2 핀홀; 및 상기 제2 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정하는 제2 광 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 변조 간섭계에 의하여 상기 공간 변조된 빔은 튜브 형상, 폴 형상, 또는 튜브-폴 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 변조 간섭계는, 빔 사이즈를 증가된 출력광을 기준 경로와 변조 경로로 분할하고 상기 기분 경로에서 반사된 빔과 상기 변조 경로에서 반사된 빔을 결합하여 출력하는 빔 분할기; 상기 기준 경로에 배치된 제1 미러; 상기 변조 경로에 배치된 공간 액정 변조기; 및 상기 공간 액정 변조기의 후단에 배치된 제2 미러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 빔 분할기와 상기 레이저 변조 간섭계 사이에 배치된 선형 편광판; 상기 선형 편광판과 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치된 반파장판; 상기 제2 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 1/4 파장판; 및 상기 제2 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 빔 스캐너; 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 핀홀과 상기 제1 광 감지기 사이에 배치된 제1 광 섬유; 상기 제1 광 감지기의 신호를 처리하는 제1 록인 증폭기; 상기 제2 핀홀과 상기 제2 광 감지기 사이에 배치된 제2 광 섬유; 및 상기 제2 광 감지기의 신호롤 처리하는 제2 록인 증폭기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 록인 증폭기의 제1 신호와 상기 제2 록인 증폭기의 제2 신호의 차이를 연산하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원의 출력광은 연속파 또는 펄스이고, 상기 제1 광 스위치와 상기 제2 광 스위치는 서로 다른 시간에 턴온되고, 상기 제1 광 스위치와 상기 제2 광 스위치는 전기광학 변조기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 빔 분할기와 상기 제1 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제1 밴드 패스 필터; 및 상기 제4 빔 분할기와 상기 제2 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제2 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제2 밴드 패스 필터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광 스위치와 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제1 측정빔을 분할하는 제1 이색성 미러; 상기 제1 이색성 미러에서 반사된 상기 제1 측정빔을 집속하는 제1 집속 렌즈; 상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제1 핀홀; 및 상기 제1 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정하는 제1 광 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광 스위치와 상기 제1 광 분할기 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제2 측정빔을 반사시키는 제2 이색성 미러; 상기 제2 이색성 미러에서 반사된 상기 제2 측정빔을 집속하는 제2 집속 렌즈; 상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제2 핀홀; 및 상기 제2 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정하는 제2 광 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 이색성 미러와 상기 제1 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제1 밴드 패스 필터; 및 상기 제2 이색성 미러와 상기 제2 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제4 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제2 밴드 패스 필터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따른 광학 장치의 동작 방법은, 제1 시간에 시료에 대물 렌즈를 통하여 가우시안 형태의 제1 여기 빔을 제공하고 상기 제1 여기 빔에 상기 시료가 반응한 제1 측정 빔의 제1 세기를 측정하는 단계; 제2 시간에 시료에 소용돌이 위상판 및 상기 대물 렌즈를 통하여 도넛 형태의 제2 여기 빔을 제공하고 상기 제2 여기 빔에 상기 시료가 반응한 제2 측정 빔의 제2 세기를 측정하는 단계;
상기 제1 세기와 상기 제2 세기의 차이를 산출하는 단계; 및 상기 시료의 측정 위치를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 회절 한계 이상의 고분해능 광학 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 광학 장치에서 제1 여기 빔과 제1 측정 빔의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 3은 도 1의 광학 장치에서 제2 여기 빔과 제2 측정 빔의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 1의 광학 장치에서 레이저 변조 간섭계를 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대물 렌즈에 입사하는 제1 여기 빔의 공간 분포들에 따라 대물 렌즈가 형성하는 이미지를 나타내는 결과들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소용돌이 위상판과 대물 렌즈에 입사하는 제2 여기 빔의 공간 분포들에 따라 대물 렌즈가 형성하는 이미지를 나타내는 결과들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 여기 빔의 대물 렌즈의 제1 출력 이미지와 제2 여기 빔의 대물 렌즈의 제2 출력 이미지, 그리고 제1 출력 이미지와 제2 출력 이미지의 차이를 나타내는 결과들이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광 현미경을 설명하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광 현미경을 설명하는 개념도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 광학 장치에서 제1 여기 빔과 제1 측정 빔의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 3은 도 1의 광학 장치에서 제2 여기 빔과 제2 측정 빔의 광 경로를 설명하는 개념도이다.
도 4는 도 1의 광학 장치에서 레이저 변조 간섭계를 설명하는 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 광학 장치(100)는, 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기(120); 상기 빔 확장기(120)에서 출력된 빔의 공간 분포를 레이저 변조 간섭계(130); 및 상기 레이저 변조 간섭계(130)에서 공간 변조된 빔을 시료(162)에 조사하는 대물 렌즈(150)을 포함한다. 상기 광학 장치는, 광학 현미경일 수 있다.
상기 레이저 광원(110)은 아르곤 이온 레이저일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)의 파장은 488nm 또는 514.5 nm일 수 있다. 상기 레이저 광원(110)은 연속파 동작 또는 수 kHz 이상의 주파수로 펄스 동작할 수 있다. 레이저는 제1 광 스위치 및 제2 광 스위치(145b)와 동기화될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)은 제1 펄스 및 제2 펄스를 교번하여 출력할 수 있다. 상기 레이저 광원(110)의 제1 펄스는 상기 제1 광 스위치(145a)를 통하여 제1 경로로 진행하고, 제2 펄스는 상기 제2 광 스위치(145b)를 통하여 제2 경로로 진행할 수 있다.
빔 확장기(beam expander, 120)는 상기 레이저 광원(110)의 출력을 제공받아 빔의 크기를 확장시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 빔 확장기(120)의 배율은 10 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 빔 확장기의 배율은 20배일 수 있다.
레이저 변조 간섭계(130)은 마이켈슨 간섭계 구조를 가질 수 있다. 상기 레이저 변조 간섭계(130)에 의하여 상기 공간 변조된 빔은 튜브(tube) 형상, 폴(pole) 형상, 또는 튜브-폴(tube-pole) 형상의 공간 강도 분포를 가질 수 있다. 통상적인 레이저 광원의 출력 프로라일은 가우시안 형태이다. 그러나, 분해능을 향상시키기 위하여 상기 대물 렌즈(150)에 입사되는 레이저 빔의 공간 강도 분포는 튜브(tube) 형상, 폴(pole) 형상, 또는 튜브-폴(tube-pole) 형상일 수 있다. 폴 형상의 공간 강도 분포는 가우시안 형태의 입력 강도 분포에서 중심 부위를 만을 남기고 가장 자리 부분을 제거하여 형성할 수 있다. 튜브 형상의 공간 강도 분포는 가장 자리 부분의 광과 중심 부분의 광을 제거하여 형성할 수 있다. 또한, 튜브-폴 형상의 공간 강도 분포는 폴 형상과 튜브 형상의 조합에 의하여 형성될 수 있다.
상기 레이저 변조 간섭계(130)는, 빔 사이즈가 증가된 레이저 빔을 기준 경로와 변조 경로로 분할하고 상기 기분 경로에서 반사된 빔과 상기 변조 경로에서 반사된 빔을 결합하여 출력하는 빔 분할기(131); 상기 기준 경로에 배치된 제1 미러(132); 상기 변조 경로에 배치된 공간 액정 변조기(133); 및 상기 공간 액정 변조기(133)의 후단에 배치된 제2 미러(134)를 포함할 수 있다. 상기 기준 경로와 상기 변조 경로는 동일한 광 경로를 가질 수 있다. 상기 공간 액정 변조기(133)는 복수의 액정 셀들을 포함하고, 상기 액정 셀을 사이에 두고 서로 마주 보는 한 쌍의 전극을 가질 수 있다. 상기 액정 셀 각각에 인가되는 전압을 제어하면, 상기 액정 셀은 위상 지연을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 레이저 변조 간섭계(130)의 출력 광은 간섭 현상을 이용하여 공간 강도 분포를 조절할 수 있다. 상기 레이저 변조 간섭계(130)의 출력광은 어퍼쳐(134)를 구비할 수 있다. 상기 어퍼쳐(134)의 사이즈는 상기 대물 렌즈(150)의 구경 이하일 수 있다.
상기 대물 렌즈(150)은 현미경용 대물 렌즈일 수 있다.
제1 빔 분할기(143)은 상기 레이저 변조 간섭계(130)에서 출력된 공간 변조된 빔을 제1 경로와 제2 경로로 분할할 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(143)의 분할 비율은 1:1 일 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(143)은 상기 제1 경로를 통하여 공간 변조된 제1 여기 빔을 상기 대물 렌즈(150)에 제공한다. 상기 제1 여기 빔은 상기 대물 렌즈(150)을 통하여 초점 평면에서 형성된 이미지는 가우시안 함수 또는 베셀 함수 형태일 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(143)은 상기 제2 경로를 통하여 공간 변조된 제2 여기 빔을 상기 대물 렌즈(150)에 제공한다. 상기 제2 여기 빔은 상기 대물 렌즈(150)을 통하여 초점 평면에서 형성된 이미지는 도넛 형태일 수 있다.
제1 광 스위치(145a)는 상기 제1 빔 분할기(143)과 상기 대물 렌즈(150) 사이에 배치되어 상기 제1 경로의 제1 여기 빔을 스위칭한다. 상기 제1 광 스위치(145a)는 제1 펄스를 통과시키고 연속되는 제2 펄스는 차단할 수 있다. 상기 제1 광 스위치(145a)는 전기-광학 변조기(Electro-optic modulator)일 수 있다. 상기 제1 광 스위치(145a)는 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함할 수 있다.
제2 광 스위치(145b)는 상기 제1 빔 분할기(143)과 상기 대물 렌즈(150) 사이에 배치되어 상기 제2 경로의 제2 여기 빔을 스위칭할 수 있다. 상기 제2 광 스위치(145b)는 제1 펄스를 차단하고 연속되는 제2 펄스는 통과시킬 수 있다. 상기 제1 광 스위치(145a)는 전기-광학 변조기(Electro-optic modulator)일 수 있다. 상기 제1 광 스위치(145a)는 포켈스 셀(Pockels cell)을 포함할 수 있다.
제2 빔 분할기(147)은 상기 대물 렌즈(150)과 상기 제1 광 스위치(145a) 사이에 배치되고 상기 제1 여기 빔 및 상기 제2 여기 빔을 상기 대물 렌즈(150)에 제공할 수 있다. 상기 제2 빔 분할기(147)은 제1 시간(T1)에 입사하는 상기 제1 여기 빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈(150)에 제공할 수 있다. 상기 제2 빔 분할기(147)는, 제2 시간(T2)에 입사하는 상기 제2 여기 빔을 반사시키어 상기 대물 렌즈(150)에 제공할 수 있다.
소용돌이 위상판(vortex phase plate,172)은 상기 제2 광 스위치(145b)와 상기 제2 빔 분할기(147) 사이에 배치되어 도넛 형태의 강도 프로파일을 제공할 수 있다. 상기 소용돌이 위상판(172)는 방위각 방향으로 위상을 순차적으로 변경하여, 상기 대물 렌즈(150)을 통하여 초점 평면에 도넛 형태의 강도 이미지를 형성할 수 있다.
제3 빔 분할기(144)는 상기 제1 광 스위치(145a)와 상기 제1 빔 분할기(143) 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료(162)가 제공하는 제1 측정빔을 분할할 수 있다. 제1 집속 렌즈(178)은 상기 제3 빔 분할기(144)에 의한 분기된 상기 제1 측정빔을 집속할 수 있다. 제1 핀홀(181a)은 상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈(178)의 후단에 배치될 수 있다. 제1 광 감지부(183a)는 상기 제1 핀홀(181a)의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정할 수 있다.
제4 빔 분할기(173)은 상기 제2 광 스위치(145b)와 상기 제1 빔 분할기(143) 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료(162)가 제공하는 제2 측정빔을 분할할 수 있다. 제2 집속 렌즈(176)은 상기 제4 빔 분할기(173)에 의한 분기된 상기 제2 측정빔을 집속할 수 있다. 제2 핀홀(181b)은 상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈(176)의 후단에 배치될 수 있다. 제2 광 감지부(183b)는 상기 제2 핀홀(181b)의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정할 수 있다.
선형 편광판(141)은 상기 제1 빔 분할기(143)과 상기 레이저 변조 간섭계(130) 사이에 배치될 수 있다. 반파장판(142)는 상기 선형 편광판(141)과 상기 제1 빔 분할기(143) 사이에 배치될 수 있다. 1/4 파장판(148)은 상기 제2 빔 분할기(147)과 상기 대물 렌즈(150) 사이에 배치될 수 있다. 빔 스캐너(149)는 상기 제2 빔 분할기(147)과 상기 대물 렌즈(150) 사이에 배치될 수 있다.
상기 레이저 변조 간섭기(130)로부터 공간 변조된 빔은 상기 선형 편광판(141)을 투과하여 선형 편광된다. 이어서, 상기 선형 평판된 빔은 상기 반파장판(142)를 투과하여 편광방향을 90도 변화시킬 수 있다.
상기 반파장판을 투과한 빔은 상기 제1 빔 분할기(143)에 의하여 상기 제1 경로로 진행하는 제1 여기 빔을 생성한다. 상기 제1 여기 빔은 상기 제3 빔 분할기(144)를 투과하여 상기 제1 광 스위치(145a)에 도달할 수 있다. 제1 시간(T1)에 상기 제1 광 스위치(145a)는 개방되고, 상기 제1 여기 빔은 제1 보조 거울(146)에서 반사되고, 상기 제2 빔 분할기(147)을 투과하고, 상기 1/4 파장판(148)에 입사할 수 있다. 상기 1/4 파장판(148)은 입사하는 선형 편광을 원형 편광으로 변경할 수 있다. 상기 1/4 파장판(148)을 투과한 광은 빔 스캐너(149) 및 대물 렌즈(150)을 통하여 시료 평면에서 가우시안 함수 강도 분포 또는 베셀 함수 강도 분포를 가질 수 있다. 상기 빔 스캐너(149)는 갈바노미터(galvanometer)일 수 있다.
상기 반파장판(142)를 투과한 빔은 상기 제1 빔 분할기(143)에 의하여 상기 제2 경로로 진행하는 제2 여기 빔을 생성한다. 상기 제2 여기 빔은 제2 보조 미러(174)에 의하여 반사되어 상기 제4 빔 분할기(173)을 투과하여 상기 제2 광 스위치(145b)에 도달할 수 있다. 제2 시간(T2)에 상기 제2 광 스위치(145b)는 개방되고, 상기 제2 여기 빔은 상기 소용돌이 위상판(172)에 의하여 위상 변조된 후 상기 제2 빔 분할기(147)에서 반사된다. 상기 제2 빔 분할기에서 반사된 상기 제2 여기 빔은 상기 1/4 파장판(148)을 통하여 선형 편광을 원형 편광으로 변경할 수 있다. 상기 1/4 파장판(148)을 투과한 광은 빔 스캐너(149) 및 대물 렌즈(150)을 통하여 시료 평면에서 도넛 형태의 강도 분포를 가질 수 있다. 상기 1/4 파장판(148)과 상기 소용돌이 위상판(172)는 상기 대물 렌즈(150)을 통하여 도넛 형태의 강도 분포를 제공할 수 있다.
상기 시료(162)는 상기 대물 렌즈(150)의 초점 평면에 배치될 수 있다. 상기 시료(162)는 입사하는 제1 여기 빔에 반응하여 반사광을 형성하나, 형광 또는 비선형 현상에 의하여 다른 파장의 광을 발생시킬 수 있다.
상기 제1 여기 빔에 의하여 상기 시료(162)가 발생시키는 제1 측정빔은 상기 대물 렌즈(150), 상기 1/4 위상판(148), 제2 빔 분할기(147), 제1 보조 미러(146), 상기 제1 광 스위치(145a)를 경유하여 상기 제3 빔 분할기(144)에서 반사되어 제1 집속 렌즈(178)에 전달될 수 있다. 제3 보조 미러(177)는 상기 제3 빔 분할기(144)와 상기 제1 집속 렌즈(178) 사이에 배치되어 진행 경로를 변경할 수 있다. 상기 제1 집속 렌즈(178)을 통하여 집속된 제1 측정빔은 상기 제1 핀홀(181a)을 통하여 잡광을 제거할 수 있다. 또한, 상기 제1 핀홀(181a)과 상기 제1 광 감지기(183a) 사이에 배치된 제1 광섬유(182a)에 입사할 수 있다. 상기 제1 광섬유(182a)는 단일모드 광섬유일 수 있다. 상기 제1 광 감지기(183a) 는 어발란치 포토다이오드일 수 있다. 상기 제1 광 감지기(183a) 의 출력 전기 신호는 제1 록인 증폭기(185)에 전달될 수 있다. 상기 제1 록인 증폭기(185)는 상기 레이저 광원의 제1 펄스와 동기화될 수 있다.
상기 제2 여기 빔에 의하여 상기 시료(162)가 발생시키는 제2 측정빔은 상기 대물 렌즈(150), 상기 1/4 위상판(148), 제2 빔 분할기(147), 상기 소용돌이 위상판(172), 상기 제2 광 스위치(145b)를 경유하여 상기 제4 빔 분할기(173)에서 반사되어 제2 집속 렌즈(176)에 전달될 수 있다. 제4 보조 미러(175)는 상기 제4 빔 분할기(173)과 상기 제2 집속 렌즈(176) 사이에 배치되어 진행 경로를 변경할 수 있다. 상기 제2 집속 렌즈(176)을 통하여 집속된 제2 측정빔은 상기 제2 핀홀(181b)을 통하여 잡광을 제거할 수 있다. 또한, 사기 핀홀을 투과한 제1 측정 빔은 상기 제2 핀홀(181b)과 상기 제2 광 감지기(183b) 사이에 배치된 제2 광섬유(182b)에 입사할 수 있다. 상기 제2 광섬유(182b)는 단일모드 광섬유일 수 있다. 상기 제2 광 감지기(183b)는 어발란치 포토다이오드일 수 있다. 상기 제2 광 감지기(183b)의 출력 전기 신호는 제2 록인 증폭기(184)에 전달될 수 있다. 상기 제2 록인 증폭기(184)는 상기 레이저 광원(110)의 제2 펄스와 동기화될 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 광원(110)은 제1 펄스, 제2 펄스, 제1 펄스, 제2 펄스를 순차적으로 발생시킬 수 있다. 상기 제1 펄스는 제1 광 스위치(145a)를 통하여 제1 여기 빔 및 제1 측정 빔을 형성할 수 있다. 상기 제1 록인 증폭기(185)는 상기 제1 펄스에 동기화된다. 한편, 상기 제2 펄스는 제2 광 스위치(145b)를 통하여 제2 여기 빔 및 제2 측정 빔을 형성할 수 있다. 상기 제2 록인 증폭기(184)는 상기 제2 펄스에 동기화된다.
신호 처리부(168)는 상기 제1 록인 증폭기(185)의 출력 신호와 상기 제2 록인 증폭기(184)의 출력 신호의 차이인 고분해능 신호를 산출할 수 있다. 상기 고분해능 신호는 높은 분해능의 이미지 신호를 제공할 수 있다. 시료의 측정 위치를 변경하면서, 위와 같은 동작을 반복할 수 있다.
상기 빔 스캐너(149)는 상기 시료의 측정 위치를 변경하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 빔 스캐너(149)는 갈바노미터일 수 있다.
상기 시료는 이동 스테이지(164)에 탑재될 수 있다. 상기 이동 스테이지(164)는 시료의 초기 위치를 설정하거나 상기 시료의 측정 위치를 변경할 수 있다. 상기 시료의 측정 위치를 변경하기 위하여, 상기 이동 스테이지(164)는 PZT 압전 스테이지일 수 있다. 상기 PZT 압전 스테이지는 스테이지 제어부(166)에 의하여 고압에 의하여 제어될 수 있다.
신호 처리부(168)는 상기 제1 록인 증폭기(185) 및 제2 록인 증폭기(184)의 출력 신호를 처리하고, 상기 빔 스캐너(149)를 제어하고, 상기 이동 스테이지(164)를 제어할 수 있다. 또한, 신호 처리부(168)는 상기 레이저 광원(110)의 펄스 주파수를 제어하고, 상기 제1 광 스위치(145a), 상기 제2 광 스위치(145b)를 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대물 렌즈에 입사하는 제1 여기 빔의 공간 분포들에 따라 대물 렌즈가 형성하는 이미지를 나타내는 결과들이다.
도 5를 참조하면, 대물 렌즈(150)에 가우시안 형태의 제1 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈(150)의 출력 이미지는 가우시안 형태이며, 빔 사이즈는 0.61 λ이다. 여기서 λ는 레이저의 파장이다.
대물 렌즈(150)에 폴 형태의 제1 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈(150)의 출력 이미지는 베셀 함수 형태이며, 빔 사이즈는 0.52 λ이다.
대물 렌즈(150)에 튜브 형태의 제1 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 베셀 함수 형태이며, 빔 사이즈는 0.22 λ이다.
대물 렌즈(150)에 튜브-폴 형태의 제1 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 베셀 함수 형태이며, 빔 사이즈는 0.27 λ이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소용돌이 위상판과 대물 렌즈에 입사하는 제2 여기 빔의 공간 분포들에 따라 대물 렌즈가 형성하는 이미지를 나타내는 결과들이다.
도 6을 참조하면, 소용돌이 위상판(172)과 대물 렌즈(150)에 가우시안 형태의 제2 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 도넛 형태이다.
소용돌이 위상판(172)과 대물 렌즈(150)에 폴 형태의 제2 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 도넛 형태이다.
소용돌이 위상판(172)과 대물 렌즈(150)에 튜브 형태의 제2 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 도넛 형태이고 사이드 밴드를 가진다.
소용돌이 위상판(172)과 대물 렌즈(150)에 튜브-폴 형태의 제2 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 출력 이미지는 도넛 형태이고 사이드 밴드를 가진다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 여기 빔의 대물 렌즈의 제1 출력 이미지와 제2 여기 빔의 대물 렌즈의 제2 출력 이미지, 그리고 제1 출력 이미지와 제2 출력 이미지의 차이를 나타내는 결과들이다.
도 7을 참조하면, 제1 시간(T1)에 대물 렌즈(150)에 폴 형태의 제1 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈(150)의 제1 출력 이미지는 가우시안 형태이며, 빔 사이즈는 0.52 λ이다.
또한, 제2 시간(T2)에 소용돌이 위상판(172)과 대물 렌즈(150)에 폴 형태의 제2 여기광이 입사하는 경우, 대물 렌즈의 제2 출력 이미지는 도넛 형태이다.
상기 제1 출력 이미지와 상기 제2 출력 이미지의 차이는 가장 우측에 표시되고, 제1 출력 이미지의 해상도(0.52λ )보다 더 높은 약 0. 26 λ의 해상도를 가진다. 따라서, 고해상도의 이미지가 획득될 수 있다. 차이 이미지를 산출하는 과정에서 비례 계수(g)를 이용하여 보정될 수 있다. 상기 비례 계수는 제1 측정 빔과 제2 측정 빔의 경로 차이에서 발생할 수 있다.
한편, 제1 핀홀(181a)과 제2 핀홀(181b)의 사이즈는 상기 차이 이미지가 영(zero)의 지점에 대응하도록 설정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광 현미경을 설명하는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 상기 광학 장치는 형광 현미경으로 동작할 수 있다. 광학 장치(100a)는, 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기(120); 상기 빔 확장기(120)에서 출력된 빔의 공간 분포를 레이저 변조 간섭계(130); 및 상기 레이저 변조 간섭계(130)에서 공간 변조된 빔을 시료(162)에 조사하는 대물 렌즈(150)을 포함한다. 상기 광학 장치는, 광학 현미경일 수 있다.
상기 레이저 광원(110)은 아르곤 이온 레이저일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)의 파장은 488nm 또는 514.5 nm일 수 있다. 상기 레이저 광원(110)은 수 kHz 이상의 주파수로 펄스 동작할 수 있다. 펄스 레이저는 제1 광 스위치 및 제2 광 스위치(145b)와 동기화될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)은 제1 펄스 및 제2 펄스를 교번하여 출력할 수 있다. 상기 레이저 광원(110)의 제1 펄스는 상기 제1 광 스위치(145a)를 통하여 제1 경로로 진행하고, 제2 펄스는 상기 제2 광 스위치(145b)를 통하여 제2 경로로 진행할 수 있다.
상기 시료는 상기 제1 여기 빔에 반응하여 형광 신호로 제1 측정 빔을 제공할 수 있다. 상기 제1 측정 빔의 파장은 상기 제1 여기 빔의 파장과 다를 수 있다. 이 경우, 제1 집속 렌즈(178)의 전단에 제1 밴드 패스 필터(177a)가 배치될 수 있다. 상기 제1 밴드 패스 필터(177a)는 형광 신호 성분만을 투과시킬 수 있다.
상기 시료는 상기 제2 여기 빔에 반응하여 형광 신호로 제2 측정 빔을 제공할 수 있다. 상기 제2 측정 빔의 파장은 상기 제2 여기 빔의 파장과 다를 수 있다. 이 경우, 제2 집속 렌즈(176)의 전단에 제2 밴드 패스 필터(175b)가 배치될 수 있다. 상기 제2 밴드 패스 필터(175a)는 형광 신호 성분만을 투과시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형광 현미경을 설명하는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 상기 광학 장치는 형광 현미경으로 동작할 수 있다. 광학 장치(100b)는, 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기(120); 상기 빔 확장기(120)에서 출력된 빔의 공간 분포를 레이저 변조 간섭계(130); 및 상기 레이저 변조 간섭계(130)에서 공간 변조된 빔을 시료(162)에 조사하는 대물 렌즈(150)을 포함한다. 상기 광학 장치는, 광학 현미경일 수 있다.
상기 레이저 광원(110)은 아르곤 이온 레이저일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)의 파장은 488nm 또는 514.5 nm일 수 있다. 상기 레이저 광원(110)은 연속파 또는 수 kHz 이상의 주파수로 펄스 동작할 수 있다. 레이저는 제1 광 스위치 및 제2 광 스위치(145b)와 동기화될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원(110)은 제1 펄스 및 제2 펄스를 교번하여 출력할 수 있다. 상기 레이저 광원(110)의 제1 펄스는 상기 제1 광 스위치(145a)를 통하여 제1 경로로 진행하고, 제2 펄스는 상기 제2 광 스위치(145b)를 통하여 제2 경로로 진행할 수 있다.
제1 이색성 미러(144a)는 상기 제1 광 스위치(145a)와 상기 제1 빔 분할기(143) 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료(162)가 제공하는 제1 측정빔을 반사시킬 있다. 제1 집속 렌즈(178)은 상기 제1 이색성 미러가 반사한 상기 제1 측정빔을 집속할 수 있다. 제1 핀홀(181a)은 상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈(178)의 후단에 배치될 수 있다. 제1 광 감지부(183a)는 상기 제1 핀홀(181a)의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정할 수 있다.
제2 이색성 미러(173a)은 상기 제2 광 스위치(145b)와 상기 제1 빔 분할기(143) 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료(162)가 제공하는 제2 측정빔을 반사시킬 수 있다. 제2 집속 렌즈(176)은 상기 제2 이색성 미러(173a)에 의한 분기된 상기 제2 측정빔을 집속할 수 있다. 제2 핀홀(181b)은 상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈(176)의 후단에 배치될 수 있다. 제2 광 감지부(183b)는 상기 제2 핀홀(181b)의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정할 수 있다.
상기 시료는 상기 제1 여기 빔에 반응하여 형광 신호로 제1 측정 빔을 제공할 수 있다. 상기 제1 측정 빔의 파장은 상기 제1 여기 빔의 파장과 다를 수 있다. 이 경우, 제1 집속 렌즈(178)의 전단에 제1 밴드 패스 필터(177a)가 배치될 수 있다. 상기 제1 밴드 패스 필터(177a)는 형광 신호 성분만을 투과시킬 수 있다.
상기 시료는 상기 제2 여기 빔에 반응하여 형광 신호로 제2 측정 빔을 제공할 수 있다. 상기 제2 측정 빔의 파장은 상기 제2 여기 빔의 파장과 다를 수 있다. 이 경우, 제2 집속 렌즈(176)의 전단에 제2 밴드 패스 필터(175b)가 배치될 수 있다. 상기 제2 밴드 패스 필터(175a)는 형광 신호 성분만을 투과시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

Claims (15)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장기;
    상기 빔 확장기에서 출력된 빔의 공간 분포를 조절하는 레이저 변조 간섭계; 및
    상기 레이저 변조 간섭계에서 공간 변조된 빔을 시료에 조사하는 대물 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 변조 간섭계에서 출력된 공간 변조된 빔을 제1 경로와 제2 경로로 분할하는 제1 빔 분할기;
    상기 제1 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 경로의 제1 여기 빔을 스위칭하는 제1 광 스위치;
    상기 제1 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되어 상기 제2 경로의 제2 여기 빔을 스위칭하는 제2 광 스위치;
    상기 대물 렌즈와 상기 제1 광 스위치 사이에 배치되고 상기 제1 여기 빔 또는 상기 제2 여기 빔을 상기 대물 렌즈에 제공하는 제2 빔 분할기; 및
    상기 제2 광 스위치와 상기 제2 빔 분할기 사이에 배치되어 도넛 형태의 강도 프로파일을 제공하는 소용돌이 위상판(vortex phase plate);을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 광 스위치와 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제1 측정빔을 분할하는 제3 빔 분할기;
    상기 제3 빔 분할기에 의한 분기된 상기 제1 측정빔을 집속하는 제1 집속 렌즈;
    상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제1 핀홀; 및
    상기 제1 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정하는 제1 광 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 광 스위치와 상기 제1 광 분할기 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제2 측정빔을 분할하는 제4 빔 분할기;
    상기 제4 빔 분할기에 의한 분기된 상기 제2 측정빔을 집속하는 제2 집속 렌즈;
    상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제2 핀홀; 및
    상기 제2 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정하는 제2 광 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 변조 간섭계에 의하여 상기 공간 변조된 빔은 튜브 형상, 폴 형상, 또는 튜브-폴 형상인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 변조 간섭계는,
    빔 사이즈를 증가된 출력광을 기준 경로와 변조 경로로 분할하고 상기 기분 경로에서 반사된 빔과 상기 변조 경로에서 반사된 빔을 결합하여 출력하는 빔 분할기;
    상기 기준 경로에 배치된 제1 미러;
    상기 변조 경로에 배치된 공간 액정 변조기; 및
    상기 공간 액정 변조기의 후단에 배치된 제2 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 빔 분할기와 상기 레이저 변조 간섭계 사이에 배치된 선형 편광판;
    상기 선형 편광판과 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치된 반파장판;
    상기 제2 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 1/4 파장판; 및
    상기 제2 빔 분할기와 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 빔 스캐너; 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 핀홀과 상기 제1 광 감지기 사이에 배치된 제1 광 섬유;
    상기 제1 광 감지기의 신호를 처리하는 제1 록인 증폭기;
    상기 제2 핀홀과 상기 제2 광 감지기 사이에 배치된 제2 광 섬유; 및
    상기 제2 광 감지기의 신호롤 처리하는 제2 록인 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 록인 증폭기의 제1 신호와 상기 제2 록인 증폭기의 제2 신호의 차이를 연산하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 광원의 출력광은 연속파 또는 펄스이고,
    상기 제1 광 스위치와 상기 제2 광 스위치는 서로 다른 시간에 턴온되고,
    상기 제1 광 스위치와 상기 제2 광 스위치는 전기광학 변조기인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 빔 분할기와 상기 제1 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제1 밴드 패스 필터; 및
    상기 제4 빔 분할기와 상기 제2 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제2 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제2 밴드 패스 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 광 스위치와 상기 제1 빔 분할기 사이에 배치되고, 상기 제1 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제1 측정빔을 분할하는 제1 이색성 미러;
    상기 제1 이색성 미러에서 반사된 상기 제1 측정빔을 집속하는 제1 집속 렌즈;
    상기 제1 측정빔을 투과시키고 상기 제1 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제1 핀홀; 및
    상기 제1 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제1 측정빔을 측정하는 제1 광 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 광 스위치와 상기 제1 광 분할기 사이에 배치되고 상기 제2 여기 빔에 반응하여 상기 시료가 제공하는 제2 측정빔을 반사시키는 제2 이색성 미러;
    상기 제2 이색성 미러에서 반사된 상기 제2 측정빔을 집속하는 제2 집속 렌즈;
    상기 제2 측정빔을 투과시키고 상기 제2 집속 렌즈의 후단에 배치되는 제2 핀홀; 및
    상기 제2 핀홀의 후단에 배치되어 상기 제2 측정빔을 측정하는 제2 광 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 이색성 미러와 상기 제1 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제1 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제1 밴드 패스 필터; 및
    상기 제2 이색성 미러와 상기 제2 집속 렌즈 사이에 배치되어 상기 제4 측정 빔 만을 선택적으로 투과시키는 제2 밴드 패스 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제1 시간에 시료에 대물 렌즈를 통하여 가우시안 형태의 제1 여기 빔을 제공하고 상기 제1 여기 빔에 상기 시료가 반응한 제1 측정 빔의 제1 세기를 측정하는 단계;
    제2 시간에 시료에 소용돌이 위상판 및 상기 대물 렌즈를 통하여 도넛 형태의 제2 여기 빔을 제공하고 상기 제2 여기 빔에 상기 시료가 반응한 제2 측정 빔의 제2 세기를 측정하는 단계;
    상기 제1 세기와 상기 제2 세기의 차이를 산출하는 단계; 및
    상기 시료의 측정 위치를 변경하는 단계를 포함하는 광학 장치의 동작 방법.
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